Elementi, Composti e Minerali: Struttura e Classificazione

Un elemento chimico è una sostanza che non può essere separata in tipi più semplici di materia con normali processi chimici.

Gli elementi che si trovano nella crosta terrestre sono in genere combinati chimicamente con altri e solo di rado sono presenti in forma non combinata. Quando ciò accade, si ha un elemento nativo; ne sono esempi l'oro, argento e il carbonio (sotto forma di grafite o di diamante).

Due o più elementi chimicamente combinati formano invece un composto. Alcuni composti sono costituiti solo da due elementi, come per esempio il salgemma (NaCl), il comune sale da cucina. Altri, come l'orneblenda, possono essere costituiti dalla combinazione di ben otto elementi. Mentre gli elementi nativi sono costituiti da atomi tutti uguali, i composti sono formati da ioni o molecole.

Gli elementi che formano un composto sono presenti in proporzioni costanti. Il salgemma, per esempio, è sempre e solo costituito da ioni sodio (Na) e cloruro (Cl-) nel rapporto 1:1; il quarzo, uno dei composti più comuni della crosta terrestre, consiste di atomi di silicio (Si) e di ossigeno (O) nel rapporto 1:2 e ha formula SiO₂

La crosta terrestre è formata da rocce che sono degli aggregati di uno o più minerali. Per essere un minerale devi avere le seguenti condizioni: solidi, hanno origini naturali, sono inorganici, devono avere una composizione chimica ben definita ma non fissa, hanno una struttura cristallina. Ogni minerale si presenta come un solido dotato di una forma geometrica definita abito cristallino. L'abito cristallino di un minerale è la forma in cui si accrescono i singoli cristalli o gli aggregati dei cristalli. Alla forma esterna corrisponde, all'interno, una ben definita disposizione spaziale delle specie atomiche e molecolari costituenti. Questa disposizione spaziale può variare da minerale a minerale.

La particolare disposizione interna delle specie chimiche è detta struttura del reticolo cristallino e determina la forma dei cristalli. I minerali, pur avendo una struttura interna cristallina, non hanno sempre la stessa forma esterna né questa è sempre la forma di un solido geometrico regolare. La forma esterna dipende in larga parte dalle condizioni in cui i minerali si formano e dalla possibilità di svilupparsi liberamente nello spazio circostante. Anche se la forma esterna può essere assai variabile, la struttura del reticolo cristallino deve essere la stessa per tutti gli esemplari di una data specie minerale.

Le posizioni degli ioni nella struttura cristallina sono definite e non sono intercambiabili. Uno qualsiasi dei tanti cubetti uguali che costituiscono un cristallo di salgemma è la cella elementare del cristallo di salgemma. La cella elementare è la più piccola unità tridimensionale che conserva sia la composizione chimica sia la struttura cristallina di quel particolare minerale.

La disposizione ordinata è la caratteristica più facilmente diagnosticabile dello stato cristallino della materia.

I vertici delle celle elementari sono detti nodi del reticolo cristallino. In base al tipo di particelle che occupano i nodi del reticolo cristallino e all'intensità delle forze di attrazione esistenti fra queste, i cristalli si possono classificare in ionici, covalenti, metallici e molecolari.

I cristalli ionici sono costituiti da cationi e anioni che si alternano nel reticolo. La maggior parte dei minerali è formata da ioni tenuti insieme da forze di natura elettrostatica, come nel salgemma (NaCl). I cristalli covalenti sono costituiti da atomi legati covalentemente fra loro a formare una rete che si estende in tutte le direzioni del cristallo. Atomi di carbonio legati da legami covalenti omopolari si trovano nel diamante (C). Legami covalenti eteropolari si trovano in minerali come il quarzo (SiO₂) e la sfalerite (ZnS). I cristalli metallici sono costituiti da cationi, che occupano le varie posizioni del reticolo, circondati da elettroni di valenza in movimento e diffusi in tutto il solido. Atomi uguali uniti fra loro da legami metallici si trovano per esempio nei metalli nativi, come l'oro (Au) e il rame (Cu). I cristalli molecolari sono costituiti da atomi o da molecole neutre tenute insieme da forze deboli. Hanno reticolo molecolare lo zolfo (S), il realgar (As₂S₂) e il ghiaccio.

L'effettiva possibilità che un minerale ha di formarsi in natura è determinata da parametri fisici e chimici.

Parametri fisici

Le dimensioni delle specie chimiche che si combinano devono essere tali da potere costituire un'impalcatura cristallina stabile. Le dimensioni relative degli ioni determinano la loro disposizione nel reticolo cristallino. A causa della reciproca attrazione gli ioni tendono a disporsi in modo che la loro distanza sia minima. Se ioni positivi e negativi hanno dimensioni molto diverse, intorno allo ione più piccolo (quello positivo) possono trovare posto solo tre ioni negativi di dimensione maggiore. Tale disposizione viene definita coordinazione a tre. A mano a mano che la differenza tra le dimensioni degli ioni positivi e negativi diminuisce, la coordinazione diventa a quattro, a sei, a otto e infine a dodici, quando le dimensioni dei due ioni sono quasi uguali.

Parametri chimici

Le cariche negative e positive devono bilanciarsi esattamente, affinché la cella elementare sia elettricamente neutra. Nella struttura cristallina del salgemma, per esempio, per ogni ione Na+ c'è uno ione Cl-. Se gli ioni di segno opposto non hanno lo stesso numero di cariche, gli ioni con numero di cariche minore sono presenti in quantità maggiore, così da bilanciare esattamente le cariche di segno opposto.

I minerali sono il risultato di processi fisici e chimici, endogeni ed esogeni, che si sono sviluppati e si sviluppano tutt'oggi nell'evoluzione geologica del nostro pianeta. I minerali si formano attraverso processi di cristallizzazione in cui le particelle costituenti si organizzano in un reticolo tridimensionale ordinato. In un primo momento le particelle sparse si associano in una precisa configurazione fino a costituire un microscopico «germe» che, se le condizioni rimangono favorevoli, si accresce verso l'esterno per deposizione di strati successivi di materia.

La genesi dei minerali e dei loro aggregati, le rocce, dipende dalle condizioni ambientali di formazione: presenza di determinati elementi chimici, temperatura, pressione, pH delle soluzioni.

Al momento della genesi, e durante l'accrescimento, il minerale si trova in equilibrio chimico-fisico con l'ambiente circostante.

Il processo di formazione di un minerale può avvenire in diversi modi.

• Cristallizzazione da soluzioni magmatiche solidificatesi per raffreddamento in superficie o a una certa profondità nell'interno terrestre. Con il procedere del raffreddamento si formano dapprima i minerali a più alto punto di fusione e poi quelli a punto di fusione più basso.
• Cristallizzazione da soluzioni acquose per evaporazione del solvente, in genere acqua marina, o per raffreddamento della soluzione stessa (precipitazione).
• Cristallizzazione per raffreddamento di vapori o per reazioni tra gas, con formazione di cristalli ben formati, in corrispondenza di bocche vulcaniche o nelle cavità delle rocce quando la pressione è molto bassa.
• Cristallizzazione da fasi solide (cristalline) o amorfe con trasformazione allo stato solido di minerali già presenti e non più in equilibrio con l'ambiente a causa di cambiamenti di temperatura e pressione o della presenza di soluzioni. Le particelle si diffondono molto lentamente attraverso un solido disponendosi in un nuovo reticolo cristallino.
• Attività degli organismi viventi, con produzione di biominerali come per esempio quelli che costituiscono apparati scheletrici e gusci.

Le dimensioni dei cristalli possono variare enormemente; certi si vedono a malapena al microscopio, altri sono lunghi un metro e più. Nella maggior parte dei casi, i cristalli non si presentano con facce e spigoli ben sviluppati, perché non hanno avuto spazio o tempo sufficiente per assumere una forma regolare.

I minerali possono essere identificati ricorrendo alle loro proprietà fisiche, ma in certi casi è necessario ricorrere ad analisi più approfondite come l'analisi chimica e la diffrazione ai raggi X. Le proprietà fisiche che caratterizzano i minerali sono colore, colore della polvere, densità, sfaldatura, durezza, lucentezza, temperatura di fusione, suscettibilità magnetica, birifrangenza, fluorescenza, radioattività, fosforescenza ecc.

Colore e Colore della Polvere

Il colore è una delle proprietà fisiche che si notano per prime in un minerale e spesso è utilissimo per la sua identificazione. Il verde della malachite, il celeste dell'azzurrite, il giallo dello zolfo e della pirite o il viola del quarzo ametista sono così caratteristici che possono bastare da soli a identificare questi minerali. Il colore di un minerale dipende principalmente dalla composizione chimica. I minerali colorati contengono di solito ferro, cromo, manganese, cobalto, nichel, titanio, rame. In alcuni minerali della stessa specie il colore può variare da campione a campione in base alle impurezze presenti, anche in minima quantità (2-3%). Il quarzo (SiO₂), per esempio, può essere incolore, bianco, rosa, violetto, giallo e persino nero.

Colore della polvere Il termine striscio designa il colore della polvere fine che si produce quando un minerale viene strofinato su una superficie abrasiva, come una piastrella di porcellana non vetrinata denominata piastrella per striscio. Lo striscio è un valido strumento diagnostico; l'analisi del colore infatti è migliore quando viene eseguita sui piccoli grani di minerale presenti nella polvere prodotta, piuttosto che sull'intera massa del minerale. Un minerale può essere di vari colori, ma la sua polvere ha sempre lo stesso colore. Per esempio, l'ematite (Fe₂O₃) dà sempre uno striscio di colore bruno rossastro, indipendentemente dal colore del minerale che viene strofinato che può essere nero, rosso o bruno; l'apatite, che è verde o marrone, produce sempre una strisciata bianca.

Densità, Sfaldatura e Durezza

Densità Se si prendono in mano campioni di minerali diversi, tutti delle stesse dimensioni e si prova a soppesarli, ci si rende conto che alcuni sono più pesanti di altri, questo perché è diversa la loro densità.

La densità di un corpo è il rapporto tra la massa del corpo e la massa di un uguale volume di acqua distillata alla temperatura di 4°C. Sfaldatura è la proprietà che hanno certi minerali di rompersi facilmente lungo piani preferenziali di debolezza. Questi piani sono associati, all'interno della struttura cristallina, a superfici su cui si affacciano specie chimiche tra le quali si realizzano i legami chimici più deboli. Certi minerali hanno un solo sistema di piani di saldatura paralleli, altri più di uno, altri ancora invece non si sfaldano perché la loro struttura cristallina è priva di piani di debolezza lungo i quali il cristallo possa separarsi. Durezza La durezza di un minerale è una misura della sua resistenza a essere scalfito o abraso. La durezza dei minerali è determinata mediante comparazione con una scala standard, detta scala di Mohs. Questa scala è costituita da 10 minerali disposti in ordine crescente di durezza. Al primo gradino della scala c'è il minerale più tenero, il talco; all'ultimo, il minerale più duro esistente in natura, il diamante. Tra un termine e l'altro della scala non c'è la stessa variazione di durezza. A mano a mano che si sale nella scala, l'aumento di durezza da un grado al successivo è sempre maggiore. Oggi si usano degli strumenti per misurare la durezza (sclerometro).

Lucentezza e Temperatura di Fusione

Lucentezza La lucentezza è una caratteristica che dipende da come la superficie del minerale risponde quando è colpita dalla luce. La lucentezza può essere metallica, quando il cristallo riflette direttamente la luce, o non-metallica, quando invece esso la devia dopo essere stato attraversato. La lucentezza metallica è infatti tipica di minerali opachi, mentre quella non-metallica è tipica dei cristalli più o meno trasparenti. Temperatura di fusione La temperatura di fusione, alla quale la precisa architettura dello stato solido cristallino viene demolita, ha un valore specifico per ogni minerale. A questa temperatura i legami che tengono ordinate le unità costitutive del cristallo sono vinti e il corpo passa allo stato liquido.

Altre proprietà, che interessano però solo alcuni minerali, sono la suscettibilità magnetica, caratteristica della magnetite, la birifrangenza, caratteristica della calcite, la fluorescenza, tipica della fluorite, e la radioattività, propria delle uraniniti.

Una proprietà di molti minerali presenti in natura, determinata dalle caratteristiche del reticolo cristallino, è il polimorfismo.

Si ha polimorfismo (da poly = molto e morphe = forma) quando due o più minerali con identica composizione chimica, e quindi stessa formula chimica, hanno un reticolo cristallino diversamente strutturato.

Il polimorfismo dipende dal fatto che la stessa sostanza può cristallizzare in ambienti differenti, a condizioni di pressione e temperatura diverse. Le condizioni ambientali influiscono sull'organizzazione della struttura del reticolo cristallino quando il minerale si forma. Uno dei casi più noti di polimorfismo è quello tra grafite e diamante. Questi due minerali sono entrambi costituiti da carbonio, ma hanno struttura reticolare diversa. La grafite (minerale nero, opaco, untuoso al tatto) ha una struttura a piani paralleli facilmente separabili gli uni dagli altri, ogni atomo di carbonio è legato ad altri tre con legami covalenti disposti a 120°. I piani reticolari sono tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals. Il diamante (minerale trasparente) ha una struttura reticolare a sviluppo tridimensionale: un atomo di carbonio è legato con legami covalenti ad altri quattro costituendo una struttura tridimensionale formata da tetraedri tutti uguali. L'isomorfismo riguarda minerali che presentano composizione chimica differente, ma analoga struttura cristallina.

Si ha isomorfismo (da isos = uguale e morphe = forma) quando, all'interno dello stesso reticolo, ioni di elementi chimici diversi possono sostituirsi a vicenda, avendo raggio ionico e cariche simili. Questi elementi si dicono vicarianti e il fenomeno dell'intercambiabilità è indicato come vicarianza. Per esempio, l'alluminio può sostituire il silicio nel reticolo dei silicati. I minerali che presentano isomorfismo sono vere e proprie soluzioni allo stato solido di due minerali distinti, dette miscele isomorfe. I due minerali si possono miscelare in tutte o solo in determinate proporzioni. In natura le forme miste sono le più diffuse, mentre i minerali che contengono solo uno degli elementi vicarianti (detti termini puri) sono rari. Un esempio di miscela isomorfa è l'olivina, un minerale costituito da tetraedri di ione silicato SiO₄⁻⁴, legati a ioni ferro e magnesio presenti in percentuali variabili a seconda dei cristalli. La formula del minerale è (Mg, Fe)₂SiO₄. La virgola che separa i simboli degli elementi chimici (come nel caso della formula dell'olivina) indica la possibilità degli elementi di sostituirsi a vicenda nel reticolo del minerale.

La quasi totalità dei minerali è allo stato cristallino. Esistono però rari casi in cui i minerali hanno una struttura disordinata, simile alla disposizione che assumono, istante per istante, le particelle di un gas o di un liquido. Questi minerali sono detti amorfi o vetrosi. Il disordine strutturale dei solidi amorfi si manifesta anche su grande scala: se frantumiamo un cristallo cubico di salgemma, otteniamo frammenti che presentano ancora forme cubiche con facce piane; viceversa, se spezziamo un vetro, i frammenti si presentano irregolari, spesso incurvati e smussati. Talvolta lo stesso composto, a seconda delle condizioni in cui si è formato, può dare luogo a minerali cristallini o amorfi. Il quarzo (SiO₂), per esempio, si presenta in forma cristallina, mentre l'opale, che ha la stessa composizione del quarzo, è un idrogel di silice amorfa (SiO₂·nH₂O), una specie di gelatina indurita. I passaggi di stato solido-liquido consentono di distinguere una sostanza amorfa da una cristallina: la fase cristallizzata ha un punto di fusione netto, mentre la fase amorfa non ha un punto di fusione ben definito, per cui all'aumentare della temperatura diventa prima pastosa e molle, poi più fluida e infine liquida. Se la fase liquida di certe sostanze non è raffreddata con molta lentezza, il movimento delle particelle diminuisce bruscamente e queste rimangono «imprigionate» in uno stato solido disordinato. Le sostanze cristallizzate sono in genere anisotrope: questo significa che in esse grandezze fisiche, come la dilatazione termica o certe proprietà ottiche, assumono valori diversi a seconda della direzione considerata. Le sostanze amorfe sono invece isotrope, cioè presentano le stesse caratteristiche fisiche in tutte le direzioni.

Finora sono state scoperte più di 4000 specie di minerali, che per la maggior parte sono però rare. Le rocce della crosta terrestre sono fondamentalmente costituite da una trentina di minerali, che possiamo raggruppare in un numero limitato di classi. La classificazione si basa prevalentemente sull'anione che caratterizza il minerale, quindi è una classificazione di tipo chimico. Il caso più semplice si ha quando l'anione (ione negativo) è l'ossigeno, che si combina direttamente con cationi metallici (positivi). I minerali che si ottengono da questa combinazione si chiamano ossidi.

È però molto più frequente il caso in cui l'ossigeno entra prima in combinazione con un altro elemento per formare un anione poliatomico, che poi si lega a sua volta con uno o più cationi metallici. Nella composizione dei minerali esistono tre ioni poliatomici particolarmente importanti, lo ione silicato, SiO₄⁻⁴, lo ione carbonato, CO₃⁻², e lo ione solfato, SO₄⁻². I minerali che contengono come anioni questi ioni poliatomici sono chiamati rispettivamente silicati, carbonati e solfati. Una minima quantità di minerali ha come anione un elemento diverso dall'ossigeno. Si tratta dei solfuri, in cui lo ione negativo è lo ione solfuro, S⁻², e degli alogenuri, in cui gli ioni negativi sono in prevalenza lo ione cloruro, Cl⁻, o lo ione fluoruro, F⁻. Per completare il panorama dei minerali occorre aggiungere gli elementi nativi, che sono comunque piuttosto rari.

Silicati

Circa il 75% in peso della crosta terrestre è costituito da due soli elementi: ossigeno e silicio. Normalmente questi due elementi si trovano combinati con altri cationi metallici - quali alluminio (Al³⁺), ferro (Fe²⁺, Fe³⁺), calcio (Ca²⁺), magnesio (Mg²⁺), sodio (Na⁺) e potassio (K⁺) - a costituire un gruppo di minerali, i silicati, che è di gran lunga il più abbondante nelle rocce della Terra. Una sola famiglia di silicati, i feldspati, costituisce oltre la metà delle rocce della crosta terrestre, mentre un altro silicato, il quarzo, rappresenta una buona parte della metà rimanente. L'unità fondamentale del reticolo cristallino dei silicati, comune a tutti questi minerali, è lo ione silicato SiO₄⁻⁴. Lo ione SiO₄⁻⁴ ha la forma di un tetraedro che ha al centro lo ione Si⁴⁺ circondato da quattro ioni O²⁻, equidistanti e posti ai vertici. Questa forma tetraedrica deriva dalla coordinazione a quattro fra uno ione silicio (Si⁴⁺), di ridotte dimensioni e con elevata carica positiva, e gli ioni ossigeno (O²⁻), che sono invece più grandi. Il tetraedro dei silicati non è elettricamente neutro. La combinazione di 4 ioni ossigeno (ognuno dei quali con 2 cariche negative) con uno ione silicio (con 4 cariche positive) lascia il tetraedro con 4 cariche negative in eccesso. Per compensare l'eccedenza di cariche negative, il tetraedro si deve legare con ioni positivi o deve mettere in comune i propri atomi di ossigeno con altri tetraedri adiacenti.

I silicati sono classificati in base alla disposizione dei tetraedri. In particolare, si fa riferimento al numero di tetraedri che si trovano legati tra loro e alla loro disposizione nello spazio.

Esistono silicati nei quali i tetraedri non condividono alcun atomo di ossigeno; le cariche negative sono tutte bilanciate da ioni metallici positivi. Esistono per contro silicati nei quali i tetraedri condividono tutti e quattro gli atomi di ossigeno e conseguono in questo modo la completa neutralità senza l'inserimento di cationi. Sono possibili anche situazioni intermedie: la condivisione di parte degli atomi di ossigeno e la contemporanea presenza di ioni positivi che bilanciano le rimanenti cariche negative. A mano a mano che aumenta il numero di atomi di ossigeno condivisi, diminuisce quello degli ioni positivi che entrano nella struttura del minerale. Sulla base di queste caratteristiche i silicati sono suddivisi in sette gruppi principali: nesosilicati, sorosilicati, ciclosilicati, inosilicati a catena singola, inosilicati a catena doppia, fillosilicati e tettosilicati.

A mano a mano che si passa dai silicati a tetraedri isolati ai silicati a struttura spaziale, il rapporto tra silicio e ossigeno varia. Il valore arriva a 1:2 nel quarzo. La presenza degli ioni metallici diventa via via meno rilevante all'aumentare della condivisione degli atomi di ossigeno tra tetraedri adiacenti. Gli atomi degli elementi metallici hanno massa maggiore di quella dell'ossigeno: la densità dei minerali aumenta a mano a mano che diminuisce il rapporto tra atomi di silicio e atomi di ossigeno. Il ferro e il cromo impartiscono una caratteristica colorazione verde scuro ai minerali in cui sono presenti. L'abbondanza di silicio, alluminio e ossigeno, viceversa, impartisce ai minerali una colorazione chiara. Colore chiaro conferiscono anche sodio, potassio e calcio. I feldspati, per esempio, hanno colorazioni chiare.

In base alle loro caratteristiche chimiche e fisiche possiamo suddividere i silicati in due grandi categorie: minerali femici (o mafici); minerali sialici (o felsici).

La prima categoria è costituita da minerali con basso rapporto Si/O, a densità elevata e di colorazione scura, con una rilevante presenza di ferro e magnesio, da cui il termine femici o mafici. La seconda categoria comprende minerali con rapporto Si/O più elevato, a densità minore e di colorazione chiara. Questi silicati sono chiamati sialici (da Si e Al) o felsici, a indicare che sono del tipo dei feldspati.

Circa l'8% della crosta terrestre è costituito da gruppi i più importanti di minerali non silicati sono cinque.

Carbonati

Questo gruppo è costituito da due minerali principali, la calcite (CaCO₃) e la dolomite, CaMg(CO₃)₂, che formano rispettivamente le rocce calcaree e dolomitiche. Questi minerali e le rispettive rocce si formano per processi chimici e biochimici principalmente nell'acqua del mare. Montagne come il Gran Sasso, la Marmolada e le Tofane sono costituite appunto da calcari e dolomie.

Solfati e alogenuri

Si tratta di minerali che precipitano per evaporazione di soluzioni acquose concentrate. Tra i solfati il gesso (CaSO₄·2H₂O) e la sua forma anidra, l'anidrite (CaSO₄), sono i minerali più comuni. Tra gli alogenuri i più comuni sono il salgemma (NaCl), la fluorite (CaF₂) e la silvite (KCl), tutti minerali di considerevole importanza economica.

Ossidi e idrossidi

Si tratta di minerali in cui un elemento è combinato con l'ossigeno e, a volte, anche con molecole d'acqua. I più comuni sono quelli che contengono ferro, quali magnetite (Fe₃O₄), ematite (Fe₂O₃) e limonite (Fe₂O₃·nH₂O). Questi minerali, che spesso tingono di giallo o rosso le rocce in cui si trovano, sono la principale fonte di ferro dell'industria mineraria. Il quarzo (SiO₂), anche se chimicamente è un ossido, dal punto di vista della struttura è un silicato perché contiene i tetraedri SiO₄.

Solfuri

Importanti giacimenti minerari sono costituiti da composti metallici dello zolfo. Tra essi ricordiamo la pirite (FeS₂), che da un occhio inesperto può essere scambiata per oro, la calcopirite (CuFeS₂), la galena (PbS), la sfalerite (ZnS) e il cinabro (HgS), dai quali si estraggono i rispettivi metalli.

Elementi nativi

A questo gruppo appartengono i minerali costituiti da un metallo o semimetallo, che si rinvengono in natura allo stato elementare. Oro (Au), argento (Ag), rame (Cu) e zolfo (S) sono i più importanti. Il diamante e la grafite, entrambi costituiti di solo carbonio (C), sono due minerali chimicamente identici, ma assai diversi dal punto di vista cristallografico e commerciale.